(57)【要約】【課題】地熱を効率良く取り出すことができる地熱を利用する熱交換器、及びそれを利用した冷暖房装置を提供すること。【解決手段】地中１４に埋設された外筒管２０の内部に空気を流通させることで、その空気に存する熱と地熱との間で熱交換をする地熱を利用する熱交換器において、外筒管２０の内壁面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜２２が形成されている。また、外筒管２０の中に内筒管３０を挿入してある。これにより、効率よく熱交換をすることができる。【選択図】  図１
2005326128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された筒体の内部に流体を流通させることで、該流体に存する熱と地熱との間で熱交換をする地熱を利用する熱交換器において、
前記筒体の内壁面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されていることを特徴とする地熱を利用する熱交換器。
【請求項２】
前記筒体が地中に実質的に垂直に立てられた外筒管として設けられ、該外筒管の内部に該管内の下部と地表上との間で流体を流通させるための内筒管が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の地熱を利用する熱交換器。
【請求項３】
前記外筒管が金属材で設けられ、前記内筒管が樹脂材で設けられていることを特徴とする請求項２記載の地熱を利用する熱交換器。
【請求項４】
前記流体が空気であり、該空気を、外筒管の内壁面と内筒管の外壁面との間と、内筒管の内部において流通させる送風手段を具備することを特徴とする請求項２又は３記載の地熱を利用する熱交換器。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の地熱を利用する熱交換器を用いて地熱を室内へ導入することで冷房又は暖房をすることを特徴とする冷暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱を利用する熱交換器及び冷暖房装置に関する。より詳細には、地中に埋設された筒体の内部に流体を流通させることで、該流体に存する熱と地熱との間で熱交換をする地熱を利用する熱交換器、及びそれを利用した冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの消費を抑制する技術開発が重要なテーマとなっている。一つの解決策としては、地熱を利用することにある。所定深さ以上の地中では、その地温が年間を通じて１５℃前後の一定温度となっている。また、地下の容積は莫大なものがあり、その土砂は極めて大きな蓄熱槽となっている。
この一定温度で且つ大容量の天然の熱源を利用すれば、夏は冷房に、冬は暖房におけるエネルギー消費量を削減することが可能である。
【０００３】
従来、地熱を利用する方法としては、地中と室内との間を流通する管路を設け、地下水を流通させる方法や、空気を流通させる方法がある。これらの方法では、熱媒体として流体を利用している。
また、地下水を利用した上で、空気を熱媒体として利用する方法も提案されている。（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２２３３５６号公報（第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
地熱を利用する熱交換器に関して解決しようとする問題点は、特に空気を熱媒体とする場合は、空気の熱伝導率が低いため、地熱を効率良く取り出すことが難しい点にある。その結果、所定の熱量を得るために、装置が大型化したり、複雑な形態となっていた。
そこで本発明の目的は、地熱を効率良く取り出すことができる地熱を利用する熱交換器、及びそれを利用した冷暖房装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記目的を達成するために次の構成を備える。
本発明にかかる地熱を利用する熱交換器の一形態によれば、地中に埋設された筒体の内部に流体を流通させることで、該流体に存する熱と地熱との間で熱交換をする地熱を利用する熱交換器において、前記筒体の内壁面の少なくとも一部にカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜が形成されていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明にかかる地熱を利用する熱交換器の一形態によれば、前記筒体が地中に実質的に垂直に立てられた外筒管として設けられ、該外筒管の内部に該管内の下部と地表上との間で流体を流通させるための内筒管が挿入されていることを特徴とすることができる。
【０００７】
また、本発明にかかる地熱を利用する熱交換器の一形態によれば、前記外筒管が金属材で設けられ、前記内筒管が樹脂材で設けられていることを特徴とすることができる。
また、本発明にかかる地熱を利用する熱交換器の一形態によれば、前記流体が空気であり、該空気を、外筒管の内壁面と内筒管の外壁面との間と、内筒管の内部において流通させる送風手段を具備することを特徴とすることができる。
【０００８】
また、本発明にかかる冷暖房装置の一形態によれば、上記の地熱を利用する熱交換器を用いて地熱を室内へ導入することで冷房又は暖房をすることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の地熱を利用する熱交換器によれば、筒体の内壁面に形成されたカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜によって極めて効率的に熱放射、或いは吸熱がなされ、熱交換の効率を飛躍的に高めることができる。
従って、地熱を利用して室内を好適に冷房することや、暖房することが可能となる。装置が大型化することや、複雑化することなく、安価に且つ好適に設けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明にかかる地熱を利用する熱交換器及び冷暖房装置に係る最良の形態の一例を添付図面（図１）と共に詳細に説明する。図１は発明にかかる地熱を利用する熱交換器１０及び冷暖房装置１２について模式的に示す断面図である。
１０は熱交換器であり、地中１４に埋設された筒体（外筒管２０）の内部に流体を流通させることで、その流体に存する熱と地熱との間で熱交換をする。図１では、空気を流通させる形態を示してある。
【００１１】
２２はカーボンナノチューブ等の微細カーボン材を含有する被膜（以下、単に「被膜２２」ともいう）であり、外筒管２０の内壁面の少なくとも一部に形成されている。本実施の形態では内壁面の全面に前記被膜２２が形成されている。内底面２５にも形成されている。
被膜２２は熱伝導性と放熱性が高いため、一部に形成されるだけでも効果がある。外筒管２０の下部の位置に相当する地中の深い部分では、所定の深さ以上になると、その地温が年中一定となっている。本発明では、その層の地熱を利用することを目的としており、被膜２２を一部に形成する場合は、外筒管２０の下部の内壁面が優先されるのは勿論のことである。
また、被膜２２が全面に形成されれば、高い熱伝導性によって、外筒管２０下部の熱が上部へ好適に伝導伝熱でき、実質的に広い表面積での熱交換が可能となる。この伝導伝熱を好適に利用するためには被膜２２が厚い方がよい。但し、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材は高価であり、また、表面積に依存する放熱性能には限界がある。従って、熱伝導性と放熱性との関係で最適な被膜２２の厚さを設定することが可能である。
【００１２】
ここで、カーボンナノチューブ等の微細カーボン材とは、総称としての「カーボンナノチューブ」の他、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、エンドーファイバー、カーボンナノホーン、カーボンマイクロコイル、及びフラーレン等のことである。この微細カーボン材は、結晶性カーボン材とも言えるし、ナノカーボン材と呼ばれることもある。これらは、熱伝導率が極めて高いなどの優れた物性を持つ微細材料として、ナノテクノロジーで生産が可能となった材料である。なお、現時点では、その性能及びコスト等の観点からもカーボンナノチューブを好適に利用することができる。
【００１３】
また、被膜とは、材料の表面に形成されるコーティング層のことであり、例えば塗料が塗布されて形成される塗膜のことである。本発明に係る被膜２２は、周知の塗料に、カーボンナノチューブを適宜混合分散させ、それを金属材の表面に塗布することで形成することができる。これにより、カーボンナノチューブによる層を、金属材の表面に、均一に形成できる。カーボンナノチューブ等の微細カーボン材は、被膜２２を形成する塗料の機能性添加剤として好適に作用する。
なお、その塗料について耐熱性や耐化学薬品性等が要求される場合には、それに対応する機能を有する周知の塗料、例えば有機溶剤を用いるものや、シリコーンゴム（シリコーン樹脂）系の塗布材を用いることができる。これらの塗布材にあっては、常温乾燥をするものもあるし、焼付けてその被膜の密着性、硬度等を向上させるなど、周知の技術を適宜応用すればよい。
【００１４】
また、カーボンナノチューブの塗料に対する混合比率は、カーボンナノチューブの量が多いほど性能を向上できると考えられるが、その分散性等を考慮して適宜設定すれば良い。
なお、カーボンナノチューブを重量比で１０％混合した塗料を塗布して実験したところ、極めて高い放熱性能（冷却性能）を得ることができた。
これは、カーボンナノチューブの熱放射性が極めて高いことにも起因するものと考えられる。熱の射出という現象は、熱も一種の波動であるため、波動（一種の電磁波）の放散であると考えられる。つまり、種々の波長の放射であり、カーボンナノチューブは、一定以上厚く重なりあって存在することや、露出する必要はないと考えられる。カーボンナノチューブが、表面を均一に被覆する状態であれば良い。射出量は表面積に依存するからである。また、塗料の中に存在する形態でも、波動の射出が妨げられる要素は小さいものと考えられる。なお、透明性の高い塗料を用いることが適していると考えられる。
また、同様にカーボンナノチューブは高い吸熱性能を有する。
【００１５】
２０は外筒管であり、地中に実質的に垂直に立てられた筒体として設けられている。
この外筒管２０は、金属材で設けられている。ここで金属材とは、樹脂材等の他の素材と比較して熱伝導率が高い材料であって、構造材として一定の強度を有するものであれば、特に限定されることはない。例えば、アルミニウム材、ステンレススチール材、銅材、鉄鋼材等を適宜選択的に用いればよい。熱伝導性能を考慮すれば銅材が良いが、耐腐食性を考慮すればステンレススチール材を採用すればよい。
【００１６】
本形態の外筒管２０は、金属パイプであり、土圧に耐え得る好適な強度を確保できる。また、土砂よりも熱伝導性能が高く、地熱を好適に取り出すことができる。
また、本形態では、外筒管２０の底が底板２１によって塞がれた状態となっている。地下水の流入等を防止するためである。なお、設置場所の条件又は用途によっては外筒管２０の底を塞ぐことを要しない。
【００１７】
３０は内筒管であり、外筒管２０の内部に挿入されている。この内筒管３０は樹脂材で設けられている。この内筒管３０によれば、外筒管２０内の下部２４と地表上１６との間で流体を好適に流通させることができる。
図１に示すように、外筒管２０と内筒管３０の二重管構造となっている。また、内筒管３０は、その下端３１が、外筒管２０の下端（内底面２５）との間に所定の間隔を置いて位置するように、図示しない支持材によって適宜固定されている。
これにより、外筒管２０の内壁面と内筒管３０の外壁面と間に、流体（本形態では空気）の流路となる所定の空間（第１流路４０）を得ることができる。また、外筒管２０の下端部の内空間２６が、空気流の反転空間となる。また、内筒管３０の内空間が、空気の流路（第２流路４２）となっている。
【００１８】
本形態の内筒管３０は、樹脂パイプであり、熱伝導性能が低い材質で形成されている。例えば、塩化ビニールの管を用いることができる。このように熱伝導率の低い管を用いることで、地中の深い位置で好適に熱交換された流体（空気）を好適に流通させることができる。一旦熱交換されて空気に吸収された熱（冷却された場合の負の熱も含む意味）の発散を防止できるためである。
【００１９】
５０は送風手段であり、内筒管３０に接続される。（なお、配管の形状等は適宜設計できるものであり、詳細は図示しない。）例えば、軸流ファンを用いることができる。この送風手段５０によれば、空気を、外筒管の内壁面と内筒管の外壁面との間（第１流路４０）と、内筒管の内部（第２流路４２）において流通させることができる。図１では、矢印のように、空気を室内６０側から第１流路４０及び第２流路４２を通過させる状態を示している。この場合は、送風手段５０は、空気を吸引するように送風する。
【００２０】
このように送風手段５０によって送風された空気は、室内６０に開放しても良いし、二点鎖線で示した経路（配管７２）で循環させても良い。７０は地上での熱交換部であり、例えば、ワインセラー、保存庫（保冷庫、保温庫）、冷却ユニット、放熱ユニット等とすることができる。
このように以上に説明した熱交換器１０を用いれば、地熱を室内へ導入することで冷房又は暖房をする冷暖房装置１２を好適に構成できる。
熱交換された空気を直接室内６０に導入する場合は、熱損失が少なく、効率よく室内６０を空調できる。地熱という天然のエネルギー源を用いるため、送風機を運転するエネルギーは必要とするが、エネルギーコストを大きく低減することができる。空気を熱媒体とすることができるため、扱いやすく、安全且つ安定的で費用がかからない利点もある。
【００２１】
また、５１は他の送風手段であって、空気を押し込むことで、上記と同様の空気流を得ることができる。（なお、配管の形状等は適宜設計できるものであり、詳細は図示しない。）  本形態では、第１流路４０が給気流路となっており、第２流路４２が排気管路となっている。なお、フィルタを通して空気を送風するようにすれば、外筒管２０の内壁面を汚すことがなく、好適な熱交換性能を維持できる。
また、空気の送風方向を、図１に示した矢印の方向と反対方向にしても、好適な熱交換性能を得ることが可能である。
なお、熱交換された空気の熱は、蓄熱槽に蓄えてもよいし、室内に設置した熱交換器を介して室内の冷暖房や水の温度調整に用いることもできる。
また、以上に説明した熱交換器１０を逆に利用し、屋根や壁面で集めた太陽エネルギーを地中に送れば、地中の土砂に好適に蓄熱できる。冬場、日中に蓄熱して、その熱を夜間暖房として利用できる。
【００２２】
８０は断熱部材であり、地表近くの土砂からの熱的影響を低減させるために設けられている。本形態では、外筒管２０の上部の外周面を取り巻くように設けられている。例えば、図１に示すように、樹脂管を外筒管２０の上部外側に嵌め込む状態に設けることができる。樹脂管としては、例えば、塩化ビニールの管を用いることができる。
これによれば、被膜２２及び金属管（外筒管２０）によって地中深くから伝導伝熱される熱が、地表に近い層の土砂に散逸されることを防止できる。従って、効率よく熱交換をすることができる。
【実施例１】
【００２３】
本発明にかかる地熱を利用する熱交換器放熱器について、実施例１を添付図面（図２）に基づいて説明する。図２は、発明にかかる地熱を利用する熱交換器１０について模式的に示す断面図である。
９０はフィンであり、内筒管３０の外壁面に形成されている（図２では左側に図示）。内筒管３０の外部に向かって突き出るように形成されている。このフィン９０によれば、流通する空気流を好適に乱すことができる。これにより、乱流による伝熱がなされることになり、熱交換効率が向上する。フィン９０の形状は、通気抵抗を低減するために渦状の旋回流や螺旋状の流れを発生させるように傾斜した羽根状とすることができる。なお、外壁面なのでフィン９０を形成し易いメリットもある。
【００２４】
また、フィン９０は、外筒管２０の内壁面に形成してもよい（図２では右側に図示）。外筒管２０の内部へ突き出るように形成されている。これによれば、熱交換をするための放熱面又は吸熱面の表面積を広くできるので、熱交換性能を向上できる。
なお、フィン９０のみを別に形成して、外筒管２０の内壁面と内筒管３０の外壁面との間に挿入するようにしてもよい。この場合、別体のフィン９０を金属材で形成して、その表面に被膜２２を設け、外筒管２０の内壁面の被膜２２に接触させるようにしてもよい。実質的に熱交換のための表面積を広げ、熱交換性能を向上できる。
また、いずれの形態にしても、フィン９０は、第１流路４０を好適に設けるためのスペーサーとしても機能させることができる。
【００２５】
９２はポンプであり、外筒管２０に結露等によって溜まった水を排出するために用いることができる。センサーを設置して所定の量の水が溜まったときのみに作動するようにしておけばよい。
また、９４は調湿剤であり、外筒管２０の底部に堆積させてある。空気を冷却した場合に上昇する湿気を除去するなど、湿度を調整することができる。
【００２６】
外筒管２０を地中に埋設するには、周知のボーリング技術や、杭を地中に打ち込む技術を用いればよい。外筒管２０を地中に打つ込む施工方法を用いる場合は、外筒管２０の下端２８を図２に示すように尖らせた形態とすることができる。
本発明では、外筒管２０及び内筒管３０の地中に配設する部分が真直ぐな管（直管）であり、比較的簡単且つ安価に設置できる。また、比較的簡単且つ安価に製造できる利点がある。
外筒管２０と土砂１８との伝導伝熱の効率を向上させるには、外筒管２０の外壁面と土砂１８とを密着させるとよい。ベントナイトなどの密着材を挿入、介在させてもよい。
【００２７】
以上、本発明につき好適な実施例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、高気密高断熱住宅、空気循環式の住宅、その他の建築物の室内の冷暖房に活用できる。いずれの場合も熱交換された空気を直接室内に導入することが可能である。
また、空気や水等の流体を熱媒体として循環させ、室内に設けた熱交換器を介して空調することも可能である。
さらに、熱交換された空気を循環させる方法には、建物の壁内や天井裏を流通させることも含まれる。これによれば、他の装置による冷暖房を好適に補助できる。
また、促成栽培用の温室、ビニールハウス、きのこ栽培用の施設等の温度管理が必要な農業用施設にも好適に利用できる。
さらに、その他の省エネルギーが必要な用途で好適に活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一形態の地熱を利用する熱交換器及び冷暖房装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  熱交換器
１２  冷暖房装置
１４  地中
２０  外筒管
２２  被膜
３０  内筒管
４０  第１流路
４２  第２流路
５０  送風手段
６０  室内
８０  断熱部材
９０  フィン
【図１】
2005326128.tif 000003
【図２】
2005326128.tif 000004